高中化学 专题3 从矿物到基础材料 第二单元 第1课时 从自然界中获取铁和铜学案 苏教版必修1-苏教版高中必修1化学学案

第1课时从自然界中获取铁和铜一、铁、铜的存在与冶炼1．铁、铜的存在形式(1)铁、铜元素在自然界中存在形式既有游离态也有化合态，主要以化合态的形式存在。(2)常见的铁矿有磁铁矿(主要成分为Fe3O4)、赤铁矿(主要成分为Fe2O3)、黄铁矿(主要成分为FeS2)、菱铁矿(主要成分为FeCO3)等；常见的铜矿有孔雀石[主要成分为CuCO3·Cu(OH)2]、黄铜矿(主要成分为CuFeS2)等。(3)人们最早利用的单质铁直接来自于自然界。铁单质只存在于从天而降的陨铁中，所以古代人称铁为“天石”，而铜则来自于地球上自然存在的少量单质铜。2．铁的冶炼(1)原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。(2)设备：炼铁高炉。(3)原理：高温下用还原剂将铁从其化合物中还原出来。(4)冶炼过程3．铜的制备与精炼工业上主要采用高温冶炼黄铜矿(主要成分是CuFeS2)的方法获得铜。用这种方法冶炼得到的铜，含铜量为99.5%～99.7%，还含有Ag、Au、Zn、Fe等杂质。要达到电气工业生产用铜的要求，这种由黄铜矿高温冶炼得到的铜还必须经过电解精炼，其得到的铜，含铜量高达99.95%～99.98%。例1高炉炼铁生产中下列说法正确的是()A．还原氧化铁的还原剂是焦炭B．采用富氧空气可以得到纯铁C．加石灰石的目的主要是为了除去过量碳D．用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿答案D解析A项中，焦炭发生的反应：C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2、CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO，其中CO将铁矿石中的铁还原成铁单质，A项错误；高炉炼铁得到的只是含碳量为2%～4.5%的生铁，不会得到纯铁，B项错误；加入石灰石的目的是它在高温下分解成生石灰，继而再与SiO2反应生成CaSiO3炉渣，除去杂质SiO2，故C项错误。特别提示炼铁的过程中，起还原作用的物质为CO，而不是C。C起到制取CO的作用。例2火法炼铜首先要焙烧黄铜矿，其反应为2CuFeS2＋O2=Cu2S＋2FeS＋SO2，下列说法正确的是()A．SO2只是氧化产物B．CuFeS2仅作还原剂，硫元素被氧化C．每生成1molCu2S，有4mol硫被氧化D．每转移1.2mol电子，有0.2mol硫被氧化答案D解析由反应方程式知，CuFeS2中Cu化合价降低被还原为Cu2S，CuFeS2中eq\f(1,4)的S化合价升高，被氧化为SO2；O2在反应后化合价降低，被还原为SO2，因此可知SO2既是氧化产物又是还原产物，A项错误；CuFeS2既是氧化剂又是还原剂，B项错误；每生成1molCu2S，有1molS被氧化，C项错误；利用反应知转移6mole－，有1molS被氧化，D项正确。二、金属的冶炼方法1．电解法：适合冶炼金属活动性较强的金属(一般为金属活动性顺序表中铝及铝前面的金属)。例如：MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(通电))Mg＋Cl2↑，2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(通电))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(通电))4Al＋3O2↑。2．高温还原法：用还原剂(CO、C、H2、Al等)还原金属氧化物，适合冶炼金属活动性顺序表中锌到铜之间的大多数金属。例如：2Al＋Cr2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Cr＋Al2O3。3．热分解法：适合冶炼金属活动性较差的金属。例如：2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑，2HgOeq\o(=,\s\up7(△))2Hg＋O2↑。(1)金属的冶炼方法与金属活动性的关系eq\o(→,\s\up7(KCaNaMgAlZnFeSnPbHCuHgAgPtAu),\s\do5(电解法热还原法热分解法物理提炼法))(2)在工业上还有一种冶炼方法叫做湿法冶金，即利用活泼金属把不活泼金属从它的盐溶液中置换出来。例如：CuSO4＋Fe=Cu＋FeSO4。例3目前电动车、手机等使用的新型电池——锂电池，是一种高效、环保电池。已知锂的金属性介于钠和镁之间，则下列能冶炼出金属锂的方法是()A．电解法 B．高温还原法C．热分解法 D．高温用铝还原法答案A例4(2018·淮南高一检测)下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是()A．Cu2S＋O2eq\o(=,\s\up7(高温))2Cu＋SO2B．2Ag2Oeq\o(=,\s\up7(△))4Ag＋O2↑C．Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2D．2AlCl3(熔融)eq\o(=,\s\up7(通电))2Al＋3Cl2↑答案D1．下列物质中含铜元素的是()A．天石 B．孔雀石C．赤铁矿 D．石灰石答案B解析孔雀石的主要成分为CuCO3·Cu(OH)2。2．下列关于金属冶炼的说法正确的是()A．金属冶炼的本质是将化合态金属还原为游离态，冶炼方法由金属的活动性决定B．铜的湿法冶炼是将金属钠投入到CuSO4溶液中，从而置换出铜C．铁通常采用热还原法冶炼，加入石灰石的目的是除去过量的碳D．用海水为原料制得精盐，再电解纯净的NaCl溶液可制得金属钠答案A解析A项，关于金属冶炼的本质和方法的叙述是正确的；B项，湿法炼铜是用铁置换出铜；C项，炼铁中加入石灰石是为了除去二氧化硅杂质；D项，工业电解熔融的NaCl来制取Na。3．工业上制备下列金属，采用的化学反应原理正确的是()A．镁：2MgO(熔融)eq\o(=,\s\up7(通电))2Mg＋O2↑B．钙：CaO＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))Ca＋CO↑C．锰：3MnO2＋4Aleq\o(=,\s\up7(高温))3Mn＋2Al2O3D．汞：HgSeq\o(=,\s\up7(△))Hg＋S答案C解析工业上电解熔融的氯化镁来制取金属Mg，A错误；钙的工业制法与镁相似，电解熔融的氯化钙，B错误；工业制取Mn用还原法，单质Al与二氧化锰发生置换反应，C正确；汞单质的制取用加热分解法，分解HgO得到Hg单质，D错误。4．下列各种冶炼方法中，可制得相应金属的为()A．高温分解碳酸钙B．电解熔融氯化镁C．氧化铝和焦炭混合加热D．电解饱和食盐水答案B5．(2018·大连高一检测)冶炼金属常用以下几种方法：①以C、CO或H2作还原剂②利用铝热反应原理还原③电解法④热分解法。下列金属各采用哪种方法还原最佳。(1)Fe、Zn、Cu等中等活泼金属________(填序号，不同)。(2)Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属________。(3)Hg、Ag等不活泼金属________。(4)V、Cr、Mn、W等高熔点金属________。答案(1)①(2)③(3)④(4)②解析中等活泼的金属用热还原法冶炼；活泼金属用电解法冶炼；不活泼金属用热分解法冶炼；高熔点金属用铝热法冶炼。题组一金属冶炼与金属活泼性关系1．(2018·青岛高一检测)从使用金属的历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近百年的事。使用金属的先后顺序跟下列有关的是()①地壳中的金属元素的含量②金属活动性顺序③金属的导电性④金属冶炼的难易顺序⑤金属的延展性A．①③B．②④C．③⑤D．②⑤答案B2．从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。下图表示三种金属被人类开发利用的大致年代，之所以有先后，主要取决于()A．金属的导电性强弱B．地壳中金属元素的含量多少C．金属的化合价高低D．金属的活动性强弱答案D解析由图可知，活泼性越弱的金属越早被人类开发利用，因此金属开发利用的大致年代与其活动性有关。3．(2019·济南高一检测)已知一些金属单质的发现与其金属活泼性存在着某种必然的联系，你认为下列事件发生在铁器时代之前的是()①金属铝的冶炼②青铜器时代③金银的使用④戴维发现金属钠⑤15世纪中国使用锌铸币A．②③⑤ B．②③C．①②③ D．①④⑤答案B题组二金属的冶炼原理与方法4．(2019·玉溪高一检测)工业上冶炼金属一般用热分解法、热还原法和电解法。选用不同方法冶炼不同金属的主要依据是()A．金属在自然界中的存在形式B．金属元素在地壳中的含量C．金属阳离子得电子的能力D．金属熔点的高低答案C5．我国古代曾用火烧孔雀石和焦炭混合物的方法炼铜。孔雀石的主要成分是CuCO3·Cu(OH)2，这种冶炼铜的方法是()A．焦炭还原法 B．湿法炼铜C．铝热还原法 D．电解冶炼法答案A解析CuCO3·Cu(OH)2eq\o(=,\s\up7(△))2CuO＋CO2↑＋H2O，生成的CuO被焦炭与CO2反应生成的CO还原生成Cu。6．硅在自然界只以化合态形式存在，如铁矿石中的硅主要以脉石(SiO2)的形式存在。炼铁时为了除去脉石，向炼铁高炉中加入石灰石。该过程不可能涉及的化学反应是()A．CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaO＋CO2↑B．2FeO＋Sieq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋SiO2C．C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高温))2COD．CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3答案B解析高温下石灰石首先分解产生CaO和CO2，生成的生石灰(碱性氧化物)可与SiO2(酸性氧化物)反应实现高炉造渣；生成的CO2可与碳反应提供一部分还原剂CO。因无单质硅，所以没有B项所给的反应发生。7．从化学原理和经济利益角度分析，下列从海水中提取镁单质的方法最可行的是()A．海水eq\o(→,\s\up7(NaOH))Mg(OH)2eq\o(→,\s\up7(通电))MgB．海水eq\o(→,\s\up7(蒸发))MgCl2eq\o(→,\s\up7(通电))MgC．海水eq\o(→,\s\up7(石灰乳))Mg(OH)2eq\o(→,\s\up7(通电))MgD．海水eq\o(→,\s\up7(石灰乳))Mg(OH)2eq\o(→,\s\up7(盐酸))MgCl2eq\o(→,\s\up7(通电))Mg答案D题组三金属冶炼在新情境下的应用8．生物炼铜是利用某些具有特殊本领的微生物帮助我们从矿石中提取铜，这些“吃岩石的细菌”能利用空气中的氧气将不溶性的CuS转化为可溶性的铜的化合物，这种可溶性的铜化合物是()A．碳酸铜 B．硝酸铜C．硫酸铜 D．氢氧化铜答案C解析此题考查了正在迅速发展的生物炼铜技术。生物炼铜是一项成本低、污染小、反应简单、前景广阔的新兴炼铜技术，其利用“吃岩石的细菌”将不溶性的硫化铜转化为可溶性硫酸铜，而使铜的冶炼变得简单。9．中华民族有着光辉灿烂的发明史，下列发明创造不涉及化学反应的是()A．用胆矾炼铜B．用铁矿石炼铁C．中国古代炼丹术士将丹砂(HgS)炼成三仙丹(HgO)D．活字印刷术印诗成册答案D解析用胆矾炼铜、用铁矿石炼铁、将丹砂(HgS)炼成三仙丹(HgO)均有新物质生成；活字印刷术是将字刻成字模，然后根据需要排版、涂墨印刷，是物理变化。10．工业上，常用Mg还原法制取金属Ti，反应原理如下：2Mg＋TiCl4eq\o(=,\s\up7(高温))2MgCl2＋Ti。下列说法正确的是()①该反应属于置换反应；②该反应属于氧化还原反应；③该反应表明Mg比Ti活泼；④Ti被誉为“21世纪的金属”，在航天工业上有广泛用途A．只有①② B．只有③④C．只有①②③ D．全部答案D解析由单质Mg从化合物TiCl4中置换出金属Ti，化合价发生变化，故①②正确；在反应中Mg作还原剂，Ti是还原产物，故Mg的还原性比Ti强，③正确；④Ti为性能优良的金属，广泛应用于航天工业，④正确。题组四金属冶炼的有关计算11．在高温下用一氧化碳还原mg四氧化三铁得到ng铁。已知氧的相对原子质量为16，则铁的相对原子质量为()A.eq\f(21n,m－n)B.eq\f(64n,3m－3n)C.eq\f(m－n,32n)D.eq\f(24n,m－n)答案B解析设铁的相对原子质量为x，则Fe3O4＋4COeq\o(=,\s\up7(高温))3Fe＋4CO23x＋643xmneq\f(3x＋64,3x)＝eq\f(m,n)，x＝eq\f(64n,3m－3n)。12．用足量的CO还原32.0g某种氧化物，将生成的气体通入足量澄清石灰水中，得到60g沉淀，则该氧化物是()A．FeOB．Fe2O3C．CuOD．Cu2O答案B解析n(CaCO3)＝eq\f(60g,100g·mol－1)＝0.6mol，由于1molCO与氧化物反应后变成1molCO2，夺取了氧化物中的1molO，故可知32.0g氧化物中含氧原子0.6mol，氧元素的质量为9.6g，则氧化物中金属元素的质量为22.4g，两元素的物质的量之比为eq\f(\f(22.4,56),9.6)＝eq\f(2,3)，故B正确。13.钢铁工业对促进经济和社会的发展具有重要的意义，现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。其设备如图所示。炼铁的炉料(铁矿石、焦炭、石灰石等)由高炉的顶部投入，原料在下降过程中与高炉气气流在炉身部分发生作用。请回答下列问题：(1)焦炭在炼铁的过程中所起的作用是________________________________________。(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，其目的是______________。(3)写出以赤铁矿为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应：__________________________。(4)高炉气中含有的主要气态污染物是________，若直接排放将污染空气，因此应回收利用，请写出该污染物的一种用途：______________________________________________。答案(1)既提供热量，又产生还原剂CO(2)采用逆流接触操作，使矿石与还原性气体充分接触、反应(3)C＋O2eq\o(=,\s\up7(高温))CO2，CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO，Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2(4)CO作燃料(或还原剂)解析(1)焦炭在炼铁的过程中既作为能源提供反应所需要的能量，同时生成CO作为还原剂，还原出铁矿石中的Fe。(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，主要是采用逆流操作，不仅利于矿石与还原性气体充分接触，还增加了接触时间，利于反应。(3)炼铁高炉中发生的主要反应就是还原剂的生成及生成铁的反应。(4)高炉气的主要成分有：CO、CO2等，其主要气态污染物是有毒的CO；回收利用CO，可用作燃料或作还原剂等。14．工业上可采用多种方法炼铜。(1)在地下利用爆破粉碎孔雀石[Cu2(OH)2CO3]，再注入稀硫酸原地浸取，将浸取液抽到地表，加入铁屑制得铜。则该方法中冶炼铜的有关化学方程式为①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。(2)利用一氧化碳还原赤铜矿(Cu2O)冶炼铜。实验室可用如图所示装置进行实验，当